無鹵阻燃耐電痕化絕緣EPDM自粘膠粘帶的研制

夏明慧，冷 靜，趙士伍，王海波

（長春中科應化特種材料有限公司，吉林 長春 130000）

經過多年的發展，電力電氣用膠粘帶產品已日漸成熟。因使用方便、操作簡單，具有優良的隨形性和密封性，在使用過程中不需明火，膠粘帶已逐步替代相應的熱縮型絕緣附件，成為電力電氣線纜的主要配套產品。目前，防火、防水、阻燃、減震、耐老化等各種特性膠粘帶得到了廣泛應用。

安裝在戶外的電力電氣線纜及其附件常受到雨、霧、雪、灰及各種化學污染物的作用，再加上電壓的作用，絕緣附件可能出現電痕化而失去絕緣性能[1]。例如，連接高壓線與變壓器高壓端的高壓引下線終端使用的附件為熱縮管，熱縮管在安裝過程中必須使用明火，且該終端維修時必須拆下熱縮管；此外，熱縮管阻燃性能較差，不能與高壓引線下護套層阻燃性能匹配[2]，并可能出現電痕化，存在一定的安全隱患。

本工作研制無鹵阻燃耐電痕化絕緣三元乙丙橡膠（EPDM）自粘膠粘帶，其可完全替代符合JB/T 11329—2013要求的耐電痕化絕緣熱縮管用于高壓引下線的防護和終端的密封絕緣等，以保證電力電氣線纜運行更加安全、可靠、環保。

1 實驗

1.1 主要原材料

EPDM，牌號4725P，美國陶氏化學公司產品；微膠囊白度化紅磷，上海洽普化工有限公司產品；氫氧化鋁，雅保化工（上海）有限公司產品；改性高嶺土，江蘇艾特克化學工業有限公司產品；環烷油，中國石油克拉瑪依石化分公司產品；聚異丁烯，牌號B12，德國巴斯夫公司產品。

1.2 基本配方

EPDM 100，改性高嶺土 30，氧化鋅 5，硬脂酸 1，環烷油 10，阻燃劑（變品種）變量，增粘劑（聚異丁烯）變量，其他 5。

1.3 主要設備與儀器

XK-160B型開煉機 和XLB-350×350型平板硫化機，上海橡膠機械一廠有限公司產品；WDW-5型拉力機，濟南思達測試技術有限公司產品；TZ5081型氧指數測試儀和TZ5061型水平垂直燃燒測試儀，承德市科承試驗機有限公司產品；ZC-90G型高阻計，上海精密儀器表有限公司產品；BTF-038-50KV型電壓擊穿試驗機，長春市恒越電子科技有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料在開煉機上混煉。EPDM塑煉包輥后，按順序加入小料、阻燃劑、改性高嶺土、環烷油，最后加入增粘劑；物料混合在一起后，調小輥距，薄通6～8遍，下片。膠料在平板硫化機上預硫化，預硫化條件為100 ℃/10～15 MPa×5 min。預硫化膠片在（23±5）℃下放置16 h后進行輻射硫化，輻射硫化條件為：輻照劑量 3 Mrad，輻照時間 1 s。

1.5 性能測試

拉伸性能按照GB/T 528—2009測試；氧指數按照GB/T 2406.1—2008測試；垂直燃燒試驗按照GB/T 10707—2008進行；體積電阻率按照GB/T 1692—2008測試；擊穿強度按照GB/T 1695—2005測試；耐電痕化試驗按照GB/T 6553—2014進行，電壓為4.5 kV，時間為6 h；自粘性試驗：將200 mm×25 mm×1 mm試樣（拉伸200%）在長度方向上以50%的搭蓋率纏繞在直徑為30 mm的銅管上，在室溫下放置48 h后查看試樣是否松脫、起邊。

2 結果與討論

2.1 阻燃劑對膠料性能的影響

2.1.1 微膠囊白度化紅磷

膠粘帶要求無鹵阻燃，其膠料不允許使用含鹵素的高效阻燃劑，同時含鹵阻燃劑一般含有游離鹵元素，會提高膠料的電導率，在電壓的作用下，膠料的電腐蝕程度加大，易被電擊穿，導致膠料的耐電痕化性能降低。

單獨使用無機阻燃劑氫氧化鋁或氫氧化鎂時，其用量至少要達到140份才能使膠料的阻燃等級達到V-0，而膠料的絕緣性能和耐電痕化性能隨其用量增大而下降，因此需要并用其他阻燃劑。

紅磷屬于磷氮系阻燃劑，具有高效的阻燃效果，用量小，且與無機阻燃劑具有協同效應，對膠料絕緣性能影響較小。但紅磷存在易吸潮、不易保存的缺點，同時普通紅磷為深紅色，限制了其在淺色產品中的應用，因此選用微膠囊白度化紅磷進行試驗。微膠囊白度化紅磷用量對膠料性能的影響如表1所示（試驗配方：阻燃劑微膠囊白度化紅磷用量為4～13份，未加增粘劑，其余組分和用量同基本配方）。

表1 微膠囊白度化紅磷用量對膠料性能的影響

從表1可以看出，隨著微膠囊白度化紅磷用量的增大，膠料的氧指數增大，但微膠囊白度化紅磷用量達到10份后，膠料的氧指數不再增大，這與紅磷的阻燃原理有關。具體而言，在燃燒過程中紅磷在膠料表面形成了一層致密的交聯碳膜，這層碳膜的阻燃性能良好，并能防止熱分解氣體的揮發和隔絕燃燒反應的供熱，當紅磷用量增大時，碳膜密度增大，對隔絕熱、氧的作用增大；當紅磷用量達到一定值后，碳膜對燃燒反應起到的隔絕效應達到極限，氧指數趨于恒定。

綜合得出，微膠囊白度化紅磷適宜的用量為10份。

2.1.2 無機阻燃劑

為使膠料阻燃等級達到V-0，采用無機阻燃劑與微膠囊白度化紅磷配合使用。常用的無機阻燃劑為氫氧化鋁和氫氧化鎂。為提高膠料的絕緣性能，無機阻燃劑選用經過表面改性的氫氧化鋁和氫氧化鎂。改性氫氧化鋁或改性氫氧化鎂用量對膠料性能的影響如表2所示（試驗配方：微膠囊白度化紅磷用量為10份，改性氫氧化鋁或改性氫氧化鎂用量為70～110份，未加增粘劑，其余組分和用量同基本配方）。

表2 改性氫氧化鋁或改性氫氧化鎂用量對膠料性能的影響

從表2可以看出：在改性氫氧化鋁與改性氫氧化鎂用量相同的條件下，改性氫氧化鎂膠料的氧指數較大，原因在于改性氫氧化鎂在燃燒脫水的同時形成的氧化膜附著在膠料表面，并成碳膜，使膠料表面形成硬殼，從而有效隔絕氧氣，這與紅磷的阻燃有協同效應；改性氫氧化鋁膠料的阻燃等級較高，分析認為改性氫氧化鋁的脫水溫度較低，在燃燒初期就產生劇烈的脫水反應，并促進紅磷反應，紅磷吸水后分解成磷酸，形成液膜，在脫水與液膜的共同作用下，膠料在燃燒初期的阻燃性較好；改性氫氧化鋁膠料的體積電阻率和擊穿強度較高，這是因為改性氫氧化鋁極性較低，對膠料絕緣性能影響較小[3-5]；改性氫氧化鋁膠料的耐電痕化性能較好，因為改性氫氧化鋁膠料不僅絕緣性能好，而且堆砌系數大，可以形成大的電路中斷，也就是使碳路中斷[6]，此外改性氫氧化鋁的脫水反應較為劇烈，在220～600 ℃之間會釋放34%的水分，縮水反應形成強烈的水蒸氣流可以把沉積在膠料表面的碳粒沖掉，并帶走部分熱量，降低聚合物分解速度和成碳速度，有利于提高膠料耐電痕化性能[7]。因此，適合采用改性氫氧化鋁作主阻燃劑，但其用量不宜過大，否則導致膠料絕緣性能和耐電痕化性能下降。

綜合得出，無機阻燃劑采用改性氫氧化鋁，其適宜用量為90份。

2.2 增粘劑對膠料性能的影響

EPDM因分子結構缺少活性基團，內聚能低，加上配合劑噴霜，其膠料的自粘性和互粘性很差，需要添加增粘劑。增粘劑一般為松香類樹脂、聚萜烯類樹脂、古馬隆樹脂和聚異丁烯等。本研制采用聚異丁烯作增粘劑。聚異丁烯與EPDM相容性良好，不含鹵元素，揮發性低，不遷移，絕緣性能尤為突出。聚異丁烯用量對膠料性能的影響如表3所示。

從表3可以看出，隨著聚異丁烯用量的增大，膠料的阻燃性能下降，絕緣性能基本不變，自粘性提高。

表3 聚異丁烯用量對膠料性能的影響

綜合得出，聚異丁烯的適宜用量為20份。

2.3 優化配方

根據上述試驗，確定無鹵阻燃耐電痕化絕緣EPDM自粘膠粘帶膠料的優化配方為：EPDM 100，改性高嶺土 30，氧化鋅 5，硬脂酸 1，環烷油 10，微膠囊白度化紅磷 10，改性氫氧化鋁90，聚異丁烯 20，其他 5。

2.4 成品性能

在生產車間采用55 L密煉機進行膠料混煉：EPDM塑煉后，按順序加入小料、阻燃劑、改性高嶺土、環烷油混煉，混合均勻后加入聚異丁烯繼續混煉，混煉最高溫度不超過120 ℃，混煉均勻后卸料。混煉膠用塑料薄膜包裹并壓扁后停放12 h，然后切割成條，通過擠出、壓延、貼膜、切割、輻射硫化、成卷等工藝制成無鹵阻燃耐電痕化絕緣EPDM自粘膠粘帶。成品膠粘帶性能如表4所示。

表4 無鹵阻燃耐電痕化絕緣EPDM自粘膠粘帶性能

從表4可以看出，成品膠粘帶各項性能較好，達到設計要求。

3 結論

（1）微膠囊白度化紅磷與無機阻燃劑改性氫氧化鋁具有阻燃協同，二者作為阻燃劑以10/90用量比配合使用，可使無鹵阻燃耐電痕化絕緣EPDM自粘膠粘帶膠料獲得較好的阻燃性能、絕緣性能和耐電痕化性能。

（2）聚異丁烯作為增粘劑對膠料絕緣性能影響較小，但使膠料的阻燃性能下降。

（3）無鹵阻燃耐電痕化絕緣EPDM自粘膠粘帶膠料的優化配方為：EPDM 100，改性高嶺土30，氧化鋅 5，硬脂酸 1，環烷油 10，微膠囊白度化紅磷 10，改性氫氧化鋁 90，聚異丁烯20，其他 5。采用優化配方制備的成品膠粘帶阻燃等級達到V-0，絕緣性能和耐電痕化性能較好，用戶使用后評價良好。